深度調(diào)峰下核電汽輪機(jī)的小容積流量工況淺析

高清林，高嘉锜，黃 朵，黃慶專，陳敦炳

（1.福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 泉州 362000；2.國網(wǎng)福建省電力有限公司泉州供電公司，福建 泉州 362000；3.福建華電邵武能源有限公司，福建 邵武 354000）

0 引言

隨著我國能源結(jié)構(gòu)向低碳綠色優(yōu)化轉(zhuǎn)型，核電得以了快速發(fā)展，光電和風(fēng)電更是以其可再生、零碳排放等無可比擬的絕對(duì)優(yōu)勢呈爆發(fā)式增長。這些新能源的迅速崛起，為社會(huì)提供了更多的清潔電力，但光電和風(fēng)電間歇波動(dòng)性的特點(diǎn)也給社會(huì)用電需求放緩形勢下的我國電網(wǎng)帶來了更大的調(diào)峰壓力，部分地區(qū)電網(wǎng)在負(fù)荷低谷時(shí)段因備用容量嚴(yán)重不足，電網(wǎng)中占比越來越大的核電機(jī)組不得不長期低負(fù)荷運(yùn)行參與深度調(diào)峰。

核電汽輪機(jī)的低壓末幾級(jí)（特別是最末級(jí)）屬大扇度級(jí)，其徑高比（θ=db/lb）較小，在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)很容易落入小容積流量工況，可能導(dǎo)致級(jí)由透平工況變?yōu)楣娘L(fēng)工況，使級(jí)的有效功率變?yōu)樨?fù)值，低壓缸排汽溫度急劇升高，末級(jí)動(dòng)葉出口邊遭受水沖蝕，葉片振動(dòng)加劇，甚至誘發(fā)葉片顫振等等，這些都將嚴(yán)重影響著核電汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 小容積流量工況下級(jí)的流動(dòng)特性

1.1 小容積流量工況

汽輪機(jī)變工況運(yùn)行時(shí)，流經(jīng)某級(jí)噴嘴和動(dòng)葉的容積流量可用相對(duì)值分別表示如下：

式（1）、（2）中：G、G1—分別表示設(shè)計(jì)工況和變工況下級(jí)的蒸汽質(zhì)量流量，kg/s；v1、v2與 v11、v12—分別表示設(shè)計(jì)工況和變工況下噴嘴和動(dòng)葉出口蒸汽的比容，m3/kg[1]。

在容積流量減小的變工況過程中，蒸汽在大扇度級(jí)內(nèi)流動(dòng)情況的變化如圖1所示。圖1（a）為徑高比θ=2.6、噴嘴出汽角 α1=20 °=常數(shù)、平均反動(dòng)度Ωm=0.46的級(jí)的流線隨容積流量的變化情況：當(dāng)Gv2=0.97時(shí)，接近設(shè)計(jì)工況，流線順暢；當(dāng)Gv2=0.65時(shí)，動(dòng)葉后根部開始形成渦流并沿圓周方向運(yùn)動(dòng)，動(dòng)葉根部的流線也開始上傾，并出現(xiàn)脫流現(xiàn)象；當(dāng)Gv2=0.50時(shí)，動(dòng)葉根部的流線進(jìn)一步向上傾斜，動(dòng)葉后根部的渦流區(qū)域和脫流高度都增大；當(dāng)Gv2=0.37時(shí)，不但動(dòng)葉后根部的渦流區(qū)域和脫流高度更大，而且級(jí)內(nèi)靜、動(dòng)葉間軸向間隙外緣也出現(xiàn)了沿圓周方向運(yùn)動(dòng)的渦流，噴嘴中的流線也開始下傾，動(dòng)葉中的流線上傾繼續(xù)加??；當(dāng)Gv2=0.04時(shí)，動(dòng)葉后的渦流幾乎占據(jù)了整個(gè)葉高，動(dòng)葉內(nèi)的流線嚴(yán)重向上傾斜呈對(duì)角線，靜、動(dòng)葉間軸向間隙的渦流也擴(kuò)大到了大部分葉高[2]。圖1（b）為某核電汽輪機(jī)末級(jí)的流線隨容積流量的變化情況：當(dāng)Gv2=0.41時(shí)，葉根子午線明顯上傾；當(dāng)Gv2=0.24時(shí)，葉根脫流高度超過1/3葉高，靜、動(dòng)葉間間隙外緣的渦流沿軸向深入噴嘴[3]。

圖1 容積流量減小時(shí)大扇度級(jí)內(nèi)的流線變化

由圖1可見，在Gv2的減小過程中，都是動(dòng)葉后根部先出現(xiàn)渦流并在葉根出現(xiàn)脫流，進(jìn)而這一渦流區(qū)域和脫流高度都增大，然后靜、動(dòng)葉間軸向間隙外緣也開始出現(xiàn)渦流，再后這兩個(gè)渦流都增大。在容積流量減小過程中，動(dòng)葉根部開始出現(xiàn)脫流及其后容積流量更小的的工況即為級(jí)的小容積流量工況[4]。

如圖2為某核電汽輪機(jī)末級(jí)實(shí)測的流線圖，該實(shí)驗(yàn)證明了容積流量進(jìn)一步減小時(shí)，脫流會(huì)發(fā)展到前面的級(jí)，即脫流沿徑向和軸向的深度都將隨Gv2減小而加劇[3]。

圖2 某核電汽輪機(jī)末級(jí)流線圖

1.2 小容積流量工況下級(jí)內(nèi)渦流產(chǎn)生的原因分析

由流體力學(xué)可知，產(chǎn)生渦流的必要條件之一是出現(xiàn)軸向擴(kuò)壓流動(dòng)，因此，渦流必將發(fā)生在軸向擴(kuò)壓區(qū)（dp/dz＞0，z為軸向）[5-7]。

對(duì)小容積流量工況下的某大扇度級(jí)進(jìn)行計(jì)算，得到如圖3所示的壓力沿徑向和軸向分布曲線。由圖3（a）可見，在同一級(jí)內(nèi)，靜葉出口壓力p11、動(dòng)葉進(jìn)口壓力和動(dòng)葉出口壓力p21沿葉高由葉根向葉頂都在逐漸增大，但增大得比p11和p21都快，以致于沿葉高由葉根向葉頂，動(dòng)葉進(jìn)口與靜葉出口之間的壓差逐漸由負(fù)值變?yōu)檎担讦?g=90°的動(dòng)葉截面上p′11=p11，如圖中點(diǎn)A所示，而動(dòng)葉出口與進(jìn)口之間的壓差（p21-p′11）卻逐漸由正值變?yōu)樨?fù)值。因此，在小容積流量工況下，靜、動(dòng)葉間軸向間隙外緣存在的軸向擴(kuò)壓區(qū)Ⅱ，動(dòng)葉根部也存在p21＞p′11的軸向擴(kuò)壓區(qū)I。圖3（b）表示靜壓力沿級(jí)的外緣（pt）和根部（pr）的分布情況，該圖也證明了靜、動(dòng)葉間軸向間隙外緣的壓力和動(dòng)葉根部的壓力沿軸向都是增大的，進(jìn)一步驗(yàn)證了這兩處必然要產(chǎn)生渦流。計(jì)算結(jié)果表明，容積流量越小，壓差越大，靜、動(dòng)葉間軸向間隙外緣和動(dòng)葉根部處的渦流越嚴(yán)重。

圖3 小容積流量工況下級(jí)內(nèi)壓力沿徑向和軸向分布曲線

1.3 小容積流量工況下級(jí)做功能力的變化

在小容積流量工況下，隨著Gv2的進(jìn)一步減小，級(jí)的比焓降Δht和噴嘴出口速度c1急劇下降，而圓周速度u卻保持不變，導(dǎo)致動(dòng)葉入口出現(xiàn)了極大的負(fù)沖角 δ=β1-β11，以致 w11在 w1方向上的投影 w′11變得很小甚至變?yōu)樨?fù)值（如圖4所示），也就是說w11可能變成離開動(dòng)葉進(jìn)口方向的分速度。這時(shí)為使汽流流入動(dòng)葉，必須先消耗一部分能量使汽流加速，以抵消負(fù)的w′11；然后再消耗一部分能量產(chǎn)生w21，使汽流流出動(dòng)葉。由圖4還可見，雖w21不大，但因u不變，故c21很大，使c221/2比c211/2大得多。c221/2的能量顯然不可能由c211/2轉(zhuǎn)換而來，而動(dòng)葉中的比焓降Δhb只是用來克服負(fù)的w′11和產(chǎn)生w21，使汽流剛能流出動(dòng)葉，也不可能給汽流以c221/2這么大的動(dòng)能。因此，c221/2的動(dòng)能只能由轉(zhuǎn)子的機(jī)械能轉(zhuǎn)化而來[1]。

圖4 小容積流量工況下動(dòng)葉的進(jìn)出口速度三角形

由以上分析可知，在汽輪機(jī)的變工況中，在容積流量較大的工況范圍內(nèi)，汽輪機(jī)各級(jí)均能對(duì)外做出有效功（即輪周功），級(jí)的這種工況稱為透平工況；隨著容積流量的減小，級(jí)能對(duì)外做出的有效功逐漸減小，當(dāng)容積流量減小到某一數(shù)值以下，級(jí)非但不對(duì)外做功，反而還要消耗轉(zhuǎn)子的機(jī)械功，級(jí)的這種工況稱為鼓風(fēng)工況；在鼓風(fēng)工況與透平工況之間的工況稱為級(jí)的過渡工況，此時(shí)級(jí)既不對(duì)外做有效功，也不消耗轉(zhuǎn)子的機(jī)械功[8]。

因汽輪機(jī)低壓缸末級(jí)通流面積最大，在Gv2下降過程中，末級(jí)最先達(dá)到鼓風(fēng)工況；Gv2進(jìn)一步減小，次末級(jí)的通流面積與容積流量Gv2相比也嫌太大時(shí)，次末級(jí)也達(dá)鼓風(fēng)工況，如此逐級(jí)向前推進(jìn)[3]。

2 小容積流量工況對(duì)汽輪機(jī)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響

2.1 汽流分離導(dǎo)致級(jí)效率下降和葉片疲勞損壞

小容積流量工況下，較大的沖角容易造成葉片表面附面層分離，導(dǎo)致流動(dòng)損失增大，級(jí)效率下降，同時(shí)，大沖角所引起的附面層大分離還會(huì)加劇葉片上的汽流激振，造成葉片疲勞損壞。實(shí)踐證明，正沖角所造成的級(jí)的損失大于負(fù)沖角，究其原因，主要是負(fù)沖角所造成的附面層分離更多地發(fā)生在葉片內(nèi)弧面上，而正沖角則更多地發(fā)生在葉片背弧面上，由于內(nèi)弧面上是順壓流動(dòng)，附面層分離不會(huì)向下游擴(kuò)展，而背弧面上為逆壓流動(dòng)，附面層分離會(huì)在逆壓力作用下進(jìn)一步向下游擴(kuò)展，帶來較大的損失。

2.2 鼓風(fēng)工況下對(duì)通流部件的加熱

級(jí)在鼓風(fēng)工況所消耗的機(jī)械功將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苋ゼ訜嵴羝?，蒸汽再去加熱通流部分各部件。在Gv2減小過程中，低壓缸各級(jí)，尤其是末幾級(jí)出現(xiàn)鼓風(fēng)工況早，因其葉片長，鼓風(fēng)耗功大，低負(fù)荷下的蒸汽流量不足以帶走動(dòng)葉鼓風(fēng)產(chǎn)生的熱量，易引起低壓缸排汽溫升過高，致使低壓缸發(fā)生較大變形，導(dǎo)致動(dòng)靜間隙改變增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)、動(dòng)靜碰磨等嚴(yán)重后果[9]。

2.3 末級(jí)動(dòng)葉根部出口邊遭受水蝕

小容積流量工況下，末級(jí)動(dòng)葉后根部的渦流卷吸著級(jí)后的濕蒸汽倒流入動(dòng)葉通道，其帶入的水滴將對(duì)動(dòng)葉根部出口背孤面產(chǎn)生侵蝕，使應(yīng)力水平本已很高的末級(jí)葉片強(qiáng)度被削弱，危及葉片的安全運(yùn)行。

2.4 誘使葉片發(fā)生失速顫振

核電汽輪機(jī)低壓末級(jí)葉片長達(dá)2 m左右，葉片長度的增加使其剛性下降，葉頂圓周速度處于跨音速甚至超音速區(qū)域，加之因機(jī)組參與調(diào)峰而使葉片常在小容積流量大負(fù)沖角工況下運(yùn)行，可能造成附面層與葉片表面大尺度脫離，誘使葉片發(fā)生失速顫振而損壞[10]。

3 應(yīng)對(duì)小容積流量工況的措施

3.1 推遲級(jí)內(nèi)渦流的發(fā)生，擴(kuò)大其透平工況的流量范圍

實(shí)驗(yàn)表明，在容積流量Gv2減小的過程中，當(dāng)靜、動(dòng)葉間軸向間隙開始出現(xiàn)渦流時(shí)，級(jí)就已進(jìn)入了過渡工況。因此，為延緩過渡工況的出現(xiàn)，擴(kuò)大透平工況的流量范圍，應(yīng)采取相應(yīng)措施推遲渦流的產(chǎn)生。

1）噴嘴外緣擴(kuò)張角不宜過大，以免在大負(fù)沖角下發(fā)生脫流；

2）采用扭葉片的大扇度級(jí)，其葉片幾何進(jìn)口角β1g=90°的截面把葉片分為反動(dòng)度作相反變化的兩個(gè)部分：β1g=90°截面以下，容積流量Gv2減小時(shí)反動(dòng)度減?。沪?g=90°截面以上，容積流量Gv2減小時(shí)反動(dòng)度增大。如此，葉頂?shù)脑O(shè)計(jì)反動(dòng)度若是太大，則小容積流量工況下噴嘴比焓降太小，大負(fù)沖角下噴嘴易形成擴(kuò)壓區(qū)，故葉頂設(shè)計(jì)的反動(dòng)度不宜過大；同時(shí)，根部的設(shè)計(jì)反動(dòng)度若是太小，則在小容積流量工況的大負(fù)沖角下容易使動(dòng)葉根部脫流，故葉根設(shè)計(jì)的反動(dòng)度不宜過小。綜上所述，從減緩脫流，增大透平工況流量范圍的角度考慮，應(yīng)使反動(dòng)度沿葉高變化盡量小。

3）采用扭葉片的大扇度級(jí)，其葉片β1g=90°的截面越靠近根部，小容積流量下動(dòng)葉根部越容易發(fā)生脫流；β1g=90°的截面越靠近葉頂（即圖3（a）中的A點(diǎn)上移），則靜、動(dòng)葉間軸向間隙外緣的擴(kuò)壓區(qū)隨之縮小，且壓差也隨之減小，渦流減弱。因此，在設(shè)計(jì)制造時(shí)，動(dòng)葉的β1g=90°截面應(yīng)盡量移向頂部。

3.2 低壓缸設(shè)置噴水減溫裝置以降低其排汽溫度

為了防止小容積流量工況下低壓缸排汽溫度過高，可在低壓缸末級(jí)后裝設(shè)噴水減溫裝置（如圖5所示），在小容積流量工況下，借助末級(jí)動(dòng)葉根部的渦流，把噴水減溫裝置噴出的水滴吸入動(dòng)葉，并跟隨渦流一起運(yùn)動(dòng)而冷卻動(dòng)葉，從而降低末級(jí)和排汽缸的溫度[9]。

圖5 噴水減溫裝置

3.3 改進(jìn)葉型設(shè)計(jì)，避免葉片發(fā)生顫振

在小容積流量工況下，葉片之所以容易被誘發(fā)顫振，是因?yàn)槠饕源筘?fù)沖角流向動(dòng)葉造成葉片表面出現(xiàn)附面層分離流動(dòng)所致。對(duì)此，美國西屋公司對(duì)葉片的葉型加以改進(jìn)，使之在低負(fù)荷下避免汽流以大負(fù)沖角進(jìn)入動(dòng)葉（如圖6所示），從而有效地避免了顫振的發(fā)生。

圖6 美國西屋公司改進(jìn)葉型設(shè)計(jì)后避免了顫振

3.4 采用整體阻尼圍帶和凸臺(tái)拉筋的葉片結(jié)構(gòu)，減小其振動(dòng)應(yīng)力

對(duì)于核電汽輪機(jī)低壓末幾級(jí)長葉片，可采用如圖7所示的整體阻尼圍帶和凸臺(tái)拉筋的葉片結(jié)構(gòu)。初始安裝時(shí)，相鄰葉片的圍帶和拉筋間具有一定的間隙，運(yùn)行時(shí)，葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力引起葉片扭轉(zhuǎn)恢復(fù)變形，使相鄰葉片的拉筋和圍帶的工作面相互接觸。當(dāng)葉片在汽流激振力作用下產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相鄰葉片的阻尼圍帶和凸臺(tái)拉筋接觸面間的摩擦作用耗散了振動(dòng)能量，降低了葉片的振動(dòng)幅值，起到了一定的減振作用。同時(shí)，通過相鄰葉片的圍帶和拉筋工作面的相互接觸，呈現(xiàn)了整圈連接狀態(tài)，增加了葉片的剛度，減小了葉片的振動(dòng)響應(yīng)，在一定程度上增強(qiáng)了抵抗氣流激振的能力，避免葉片因顫振而損壞[11]。

圖7 帶整體阻尼圍帶和凸臺(tái)拉筋的葉片

4 結(jié)語

核電機(jī)組因具有清潔低碳、穩(wěn)定高效等諸多優(yōu)勢，并且除定期換料檢修外保持滿功率運(yùn)行時(shí)效率最高，經(jīng)濟(jì)性最好，也最安全，長期以來都是以基荷電源運(yùn)行。但隨著電力工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，光電和風(fēng)電等強(qiáng)隨機(jī)波動(dòng)性新能源電量的規(guī)模化并網(wǎng)，加之近年來社會(huì)用電需求放緩，核電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰已然勢在必行，核電機(jī)組的調(diào)峰能力已成為影響電網(wǎng)系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素。

為應(yīng)對(duì)諸如國家重大節(jié)日、極端惡劣天氣、供暖期等情況下電網(wǎng)計(jì)劃性短期負(fù)荷調(diào)節(jié)需求，通常需要核電機(jī)組以長期低功率運(yùn)行方式參與電網(wǎng)調(diào)峰。但在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，核電汽輪機(jī)的低壓末幾級(jí)很容易落入小容積流量工況，嚴(yán)重影響著機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。然而，我國迄今尚未系統(tǒng)地開展核電汽輪機(jī)調(diào)峰的相關(guān)安全性和經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)工作，缺少實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)?；诖耍仨毤訌?qiáng)對(duì)按基荷模式設(shè)計(jì)的核電汽輪機(jī)小容積流量工況下的安全性和經(jīng)濟(jì)性的研究，通過改進(jìn)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)，合理調(diào)整設(shè)備運(yùn)行方式，確保核電機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)地參與深度調(diào)峰。